在交流传动中,电机的漏电感和机械系统的惯性对于开关电压波形中的谐波分量具有低通滤波作用。以PWM方式运行引起的问题主要是电流畸变、变流器中的开关损耗、负载中的谐波损耗以及电机转矩的脉动。这些影响可以用性能指标来描述,并为不同PWM方式的选择和设计提供依据。
1.电流谐波
谐波电流主要影响电机的铜耗、是构成电机损耗的主要部分。谐波电流有效值为
式中,i1(t)为电流的基本分量。Ih不仅与变流器的PWM方式有关,而且还与电机内部的阻抗特性有关。因此,可以定义电流谐波畸变率THD作为评定品质的指标,以消除这些影响。
式中,U1和I1分别为基波电压和电流的有效值;h为傅里叶级数展开的谐波分量阶次;Uh为傅里叶级数展开式的电压分量有效值;ω1为基波频率;lσ为电机的总漏电感。负载电路的铜耗与谐波电流的二次方成正比,即PLCu∝THD2
2.谐波频谱
各频率分量在非正弦电流中所占的份额可用谐波电流谱来表达,它比总畸变因数d可提供更详细的说明。在同步PWM中,可以得到离散电流频谱hi(hf1)。其中,h为谐波分量阶次;载波频率fc=Nf1是基频f1的整数倍;N是载波比,即
载波比N值应受到下列条件限制:
式中,fsmax为功率开关器件的允许开关频率;f1max为最高基波频率。
3.最大调制度
调制度m定义为调制信号峰值U1m与三角载波信号峰值Utm之比,即(www.daowen.com)
在理想情况下,m值可在0~1之间变化,以调节变流器输出电压的大小,实际上m总是小于1,在N较大时,一般取最高的m=0.8~0.9。它体现了直流母线电压的利用率。
4.谐波转矩
经过PWM的逆变器将电压脉冲序列作用于交流电机中,所产生的脉动转矩标幺值可用下式表示:
式中,Tmax为最大气隙转矩;Tav为平均气隙转矩;TN为电机额定转矩。虽然谐波转矩是由谐波电流产生的,但两者之间并没有准确的关系。
5.开关频率和开关损耗
开关频率的增加可以使逆变器交流侧电流的谐波畸变减少,提高系统的性能。可是,开关频率不能随便增加。这是因为:
半导体器件的开关损耗与开关频率成正比。
大功率半导体器件的允许开关频率一般较低,例如大功率GTO晶闸管变流器的开关频率只有500Hz。
对开关频率大于9kHz的电力变流器设备的电磁兼容(EMC)有更加严格的规定。
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